大功率发光二极管在信号灯方面的应用

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摘要：本文介绍了道路交通信号灯的发展趋势，并着重讨论了大功率LED用作信号灯光源的优势和前景。
关键词：大功率LED效率寿命
引言
随着经济的发展，生活水平的提高，人们也越来越讲究生活的质量，交通作为衣食住行中的一部分，与人们的生活息息相关，改善路况，拓宽道路，铺设高等级公路，以及小车的普及，都会导致车速提高，车流量过多的状况。而道路交通信号灯（以下简称信号灯）作为一种交通信号，在交通中起着指挥和引导的作用，是一种必不可少的设施，交通信号灯性能的好坏在交通诱导中起着极其重要的作用。
1.LED简介
LED（LightEmittingDiode）是一种场致发光光源，是将电能直接转化为光能的半导体器件。其电特性和普通的二极管是一致的，而其发光原理是在P-N结两端加上正向电压，则P区中空穴会流向N区；而N区中的电子会流向P区。然后，随着小数载流子和我数载流子的重合放出能量；其中，一部分能量转化为热，另一部分转化为光。
LED早在三十多年前就已问世，由于当时制造技术的限制，其发光亮度小，且只有红色一种颜色，因此很长一段时间内仅用于小指示器光源和字母数字显示器等有限领域中。随着科学技术的发展，LED的性能逐步提高，例如光效的提高，使其发光亮度增加，过去，诸如上个世纪70年代初，GaP红色LED光效仅为0.4lm/W；80年代中期，AlGaAs红色LED光效上升到约1.1lm/w；而90年代中期后，新材料AlInGaP给LED技术带来了巨大突破，使红色和琥珀色LED的光效提高到10-20lm/W，与目前广泛应用于信号灯的白炽灯相近，甚至更好。随着宽禁带半导体材料的迅速发展，这些电子材料（主要包括SiCZeSe金刚石和GaN等）带动了LED的进一步发展，利用GaN特有的禁带宽度可以制作成蓝色和绿色；而随着由气相形成的化合特半导体薄膜技术的改进，有机化学气相沉积（MOCVD）技术取得了很大的进展，用该方法制造的LED，不仅发光强度有了显著提高，并且增加了颜色的变化范围，改变了LED仅有红色系列的局面，为LED在各个领域中的进一步发展消除了一大障碍。
由于LED的光效提高到与白炽灯相近，并且增加了颜色的变化范围，使其具有了成为信号灯光源的基础，而其响应时间短、发热低、能耗低以及寿命长、维护费用低等优势，马上使LED在信号灯中有了大量应用。随着光学设计的不断改善，加上LED光效不断提高，信号灯需要使用的LED管数也从一开始的四、五百只降到现在的一百来只，甚至几十只。
近年来，随着大功率LED封装技术的发展，减少LED结点与插脚间的热阻抗，把封装外壳做成扁平，从而通过缩短结点与插脚之间的距离，来缩短传输的距离。同时，引线支架的直径更大，引脚增大，并使用热传导性能较好的材料制作，能使热量更快地散发出来，使用能耐高温的环氧树脂，解决了高温和散热问题，因此可以利用大芯片进行封装，致使其工作电流可由一般的20mA增大到350mA、700mA甚至1000mA，其功率可以达1W、3W、甚至5W。这种封装结构的辐射形视角很宽，不象一般LED需对由基片出射的大部分改变方向，因此该LED的光学效率也较高。因此信号灯使用的LED管数只需十几只，甚至几只。
2.一般LED与大功率LED在信号灯中应用对照
①使用材料不同：一般使用环氧树脂作为安装板，而大功率LED需要使用铝基线路板（MCPCB）；
②生产工艺不同：一般LED使用波峰焊机或手工焊均可，而大功率LED需要使用贴片焊机；
③配套的电子元件不同：因为焊接工艺不同，因此与一般LED配套的电子元件也是需要使用波峰焊机或手工焊的一般元件，而与大功率LED配套的电子元件都需使用贴片元件；
④自动化程度不一样：由于生产工艺不一样，贴片式生产的自动化程度高，可以使用流水化生产线，而一般LED和一般元件由于外观、结构差异较远，因此有相当一部分工作如插管等都需手工完成，这样导致两者加工所需的工时也不一样。⑤加工性能保障不一样：由于静电防护等措施是影响LED使用寿命的重要因素，而一般LED生产的自动化程度不高，因此静电防护等措施比较难以实施，因此大功率LED的生产工艺比较容易保证LED的完好性能。
⑥集成化程度不一样：由于大功率LED采用贴片式工艺，因此其电子元件可以高度集成化，可以把灯板和电源等都做得很少，而一般LED及其配套元件难以实现。
⑦结构设计要求不同：因一般LED功率小，单个LED发热低（当然这些LED承受发热的能力也低，散热效果也差），而其分布在整个发光面内，因此对其散热方面的改善措施难以实施，而大功率LED相对集中，又是使用贴片工艺安装在铝基板上，因此可以容易设计一些散热器，把该灯板直接安装在上面以改善其散热效果；
⑧配光设计要求不一样：一般LED因为使用的管数多，均匀分布在整个发光区域内，因此配光时需要针对LED一一对应，而大功率LED管数使用较少，一般300mm信号灯使用12颗甚至8颗就可达到要求，因此把整个灯板置于发光面的轴心附近，在配光时近似地当作集中光源来进行设计；
⑨使用效果不一样：一般LED由于发出的光出射角上，而又分布在整个发光表面的范围内，相互之间的间距较大，因此投射在发光表面的效果是能比较明显地看出点状分布的发光光源，并且由于LED光源本身光强分布中存在强弱，加上封装中经常存在光斑不均匀，整个发光表面势必存在明暗之分，加上配光时采用的是一一对应的方式，因此在有一个或一串LED失效的情况下，会出现暗班斑，从而影响整个信号灯的光效和图形。而大功率LED由于相对比较集中，在配光时也近似地当作集中光源进行，因此上述缺陷均能避免；
⑩使用寿命不一样：由于大功率LED具有以下特点，因此可以延长使用寿命；
a：管数少，支路少，因此容易使用支路恒流的电源，保证各个LED有着相同的供电环境，即使其中有个别失效，也不会影响到其它LED的供电电流；
b:散热效果好，节点温度相对就会降低，因此寿命就会延长；
c：允许工作电流较大，是一般LED的十几倍，因此电流控制波动几个毫安，对大功率LED根本不会造成影响，而相对一般LED，却可能是致命的打击，因此对电源精确控制的依赖性较小，也有利于提高寿命。
3.大功率LED信号灯的使用现状及应用前景
由于大功率LED的批量生产目前只有美国的LUMILEDS公司比较成熟，其发光效率可说是当前世界上最亮的产品，这种产品应用信号灯上，在国内还不普遍，而欧美大多数国家都在使用中。目前全球大规模生产该种信号灯的厂家也不多，因此，设计开发这种产品，具有国内、国际领先的地位。
最近，大功率LED信号灯产品也有向国内推广的趋势，国内用户对其性能评价较高，但由于价格昂贵，用户暂时难以接受。但在国外，据统计到2000年8月，这种产品的销售已经超过250000个，由此看来，这种产品的使用，还是深受用户的信赖。
虽然大功率LED在国内还没有厂家能够批量生产，但我们也高兴地看到，有很多LED封装厂家正在着力开发和解决这类产品的设计问题，相信不久的将来，国内将有更多的厂家、更多的产品涌入市场，打破目前的垄断局面，这样将来使用大功率LED信号灯取代现在一般的LED信号灯将完全可能成为现实。